Περιεχόμενα: Χαρακτηριστικά ετερογενών συστημάτων Αντιδράσεις στερεού - ρευστού

1. Fluidized Bed Reactor 9. ΕΤΕΡΟΓΕΝΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ • Περιεχόμενα: • Χαρακτηριστικά ετερογενών συστημάτων • Αντιδράσεις στερεού - ρευστού • Η εξίσωση της ταχύτητας για ετερογενείς αντιδράσεις • Πρότυπο ομοιόμορφης αντίδρασης – Πρότυπο μη αντιδράσαντος πυρήνα • Στάδια αντίδρασης κατά το πρότυπο του μη αντιδράσαντος πυρήνα • Διάχυση μέσα από το οριακό στρώμα • Διάχυση μέσα από το στρώμα τέφρας • Χημική αντίδραση • Ταχύτητα αντίδρασης συναρτήσει της θερμοκρασίας • Πρόοδος αντίδρασης σφαιρικού τεμαχιδίου με ρευστό • Τεμάχια συνεχώς ελαττούμενου μεγέθους • Εξισώσεις μετατροπής • Σχήματα αντιδραστήρων στερεών – ρευστών

2. Ομορροή Διασταυρούμενη κάθετα ροή Αντιρροή ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΤΕΡΟΓΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ • Τα ετερογενή συστήματα παρουσιάζουν δύο κυρίως διαφορές από τα ομογενή: • Δυσκολία στην έκφραση της ταχύτητας, στην εξίσωση της οποίας πρέπει να περιληφθούν όροι μεταφοράς μάζας. • Το σχήμα επαφής μπορεί να διαφέρει από την εμβολική ροή ή τη ροή πλήρους ανάμιξης. • π.χ. αν έχουμε δύο φάσεις που ακολουθούν εμβολική ροή τότε μπορούμε να διακρίνουμε διάφορους τύπους αντιδραστήρων κατ’ ομορροή, κατ’ αντιρροή κ.τ.λ. Όταν πρόκειται να συγκριθούν ταχύτητες διαφορετικών διεργασιών αυτές πρέπει να οριστούν με τον ίδιο τρόπο. Εφ’ όσον η ταχύτητα μεταφοράς μάζας δίνεται από τη σχέση Η ταχύτητα της χημικής αντίδρασης πρέπει να οριστεί αντίστοιχα: Ο ορισμός της ταχύτητας γίνεται με βάση τη μονάδα επιφάνειας και όχι τη μονάδα όγκου όπως στις ομογενείς αντιδράσεις. Επειδή δε γνωρίζουμε τις συγκεντρώσεις σε ενδιάμεσα σημεία στην έκφραση της ταχύτητας πρέπει να χρησιμοποιείται η ολική διαφορά συγκέντρωσης. Αυτό είναι εύκολο εάν η ταχύτητα στα διάφορα στάδια είναι γραμμική σχέση της συγκέντρωσης (πρώτη δύναμη). Εάν δεν είναι γραμμική η σχέση συγκέντρωσης – ταχύτητας σε όλα τα στάδια τότε το πρόβλημα περιπλέκεται.

3. ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΕΡΕΟΥ - ΡΕΥΣΤΟΥ Α(l) ή A(g) + bB(s) ρευστά προϊόντα  στερεά προϊόντα  ρευστά + στερεά προϊόντα Παραδείγματα αντιδράσεων στερεού – ρευστού 1. Οξειδωτική φρύξη 2 ZnS(s) + 3 O2(g)  2 ZnO(s) + 2 SO2(g) 4 FeS2(s) + 11 O2(g)  2 Fe2O3(s) + 8 SO2(g) 2. Άμεση αναγωγή Fe3O4(s) + 4 H2(g)  3 Fe(s) + 2 H2O(g) 3. Επιμετάλλωση μεταλλικών επιφανειών 4. Αντιδράσεις εκχύλισης Al2O3.3H2O + 2 OH-  2 Al(OH)4- 5. Αντιδράσεις καύσης C(s) + O2(g)  CO2(g) 2 C(s) + O2(g)  2 CO(g)

4. Cg κύριος όγκος αερίου επιφάνεια στερεού Cs στοιβάδα αερίου Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ Η εξίσωση της ταχύτητας στις ετερογενείς δράσεις περιλαμβάνει περισσότερες από μία διεργασίες. Το πρόβλημα που τίθεται στην συγκεκριμένη περίπτωση είναι πως οι διαφορετικές διεργασίες που περιλαμβάνουν στάδια μεταφοράς μάζας και χημικής αντίδρασης θα συνδυαστούν σε μία εξίσωση. Έστω r1, r2, rn οι ταχύτητες των ανεξάρτητων διεργασιών που συμμετέχουν στη συνολική δράση. Εάν οι διεργασίες λαμβάνουν χώρα σε ανεξάρτητους παράλληλους δρόμους τότε Εάν η ολική δράση αποτελείται από διεργασίες που συμβαίνουν διαδοχικά τότε στη σταθερή κατάσταση οι ταχύτητες των διαδοχικών σταδίων θα είναι ίσες:

5. Cu2O Cu ΠΡΟΤΥΠΟ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΟ ΜΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΑΝΤΟΣ ΠΥΡΗΝΑ

6. ΣΤΑΔΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΣΤΕΡΕΟΥ - ΡΕΥΣΤΟΥ ΚΑΤΑ ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΜΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΑΝΤΟΣ ΜΥΡΗΝΑ • Ag + b Bs ↔ r Rg + s Ss • Διάχυση αερίου Α μέσα από το οριακό στρώμα στην επιφάνεια του στερεού Β. • Διείσδυση και διάχυση του Α διαμέσου του στρώματος τέφρας προς το μέτωπο της αντίδρασης. • Χημική αντίδραση του Α με το στερεό. • Διάχυση των αερίων προϊόντων δια μέσου της τέφρας προς το οριακό στρώμα. • Διάχυση των αερίων προϊόντων δια του οριακού στρώματος στον κύριο όγκο του αερίου.

7. ΒΡΑΔΥΤΕΡΟ ΣΤΑΔΙΟ: ΔΙΑΧΥΣΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΟ ΟΡΙΑΚΟ ΣΤΡΩΜΑ Πρότυπο:μη – αντιδράσαντος πυρήνα Μέγεθος τεμαχιδίων:αμετάβλητο Σχήμα τεμαχιδίων:σφαιρικά

8. Διάχυση μέσα από το οριακό στρώμα

9. ΒΡΑΔΥΤΕΡΟ ΣΤΑΔΙΟ: ΔΙΑΧΥΣΗ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΕΦΡΑΣ Πρότυπο:μη – αντιδράσαντος πυρήνα Μέγεθος τεμαχιδίων:αμετάβλητο Σχήμα τεμαχιδίων:σφαιρικά

10. Διάχυση μέσα από το στρώμα τέφρας

11. ΒΡΑΔΥΤΕΡΟ ΣΤΑΔΙΟ: ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ Πρότυπο:μη – αντιδράσαντος πυρήνα Μέγεθος τεμαχιδίων:αμετάβλητο Σχήμα τεμαχιδίων:σφαιρικά

12. ks: σταθερά 1ης τάξης της αντίδρασης Χημική αντίδραση

13. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Σφαιρικα τεμαχίδια σφαλερίτη (ZnS) διαμέτρου D=2 mm φρύσσονται σε ρεύμα αερίου περιεκτικότητας 8 % σε Ο2 στους 900 °C. Να υπολογιστεί ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη μετατροπή των στερεών. Δίνονται ρΒ=4.13 g/cm3, kS=2 cm/s, De=0.08 cm2/s, P=1 atm 2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + SO2 b=2/3

14. ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Επειδή οι αντιστάσεις είναι στη σειρά, η ολική ή παρατηρηθείσα ταχύτητα δεν μπορεί να είναι ποτέ υψηλότερη από εκείνη των επιμέρους σταδίων ξεχωριστά. ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ ΤΕΜΑΧΙΔΙΩΝ ΚΑΘΑΡΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΣΕ ΟΞΥΓΟΝΟ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

15. Βαθμός μετατροπής σαν συνάρτηση του ανηγμένου χρόνου αντίδρασης. Ανηγμένη ακτίνα του μη αντιδράσαντος πυρήνα σαν συνάρτηση του ανηγμένου χρόνου αντίδρασης. ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΤΕΜΑΧΙΔΙΟΥ ΜΕ ΡΕΥΣΤΟ

16. ΤΕΜΑΧΙΑ ΣΥΝΕΧΩΣ ΕΛΑΤΤΟΥΜΕΝΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ (Ι) • Βραδύτερο στάδιο: • Χημική αντίδραση • Ισχύουν οι εξισώσεις που παριστάνουν την ταχύτητα της αντίδρασης στις περιπτώσεις τεμαχιδίων αμετάβλητου μεγέθους. • (ii) Διάχυση μέσα από το οριακό στρώμα • Η μεταφορά μάζας ενός συστατικού γραμμομοριακού κλάσματος y από το ρευστό στο στερεό σε ελεύθερη πτώση δίνεται από την εξίσωση Ranz-Marshall:

17. ΤΕΜΑΧΙΑ ΣΥΝΕΧΩΣ ΕΛΑΤΤΟΥΜΕΝΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ (ΙΙ) Για μικρά τεμαχίδια στην περιοχή της ισχύος του νόμου του Stokes

18. Εξισώσεις μετατροπής ως προς το χρόνο για τεμαχίδια διαφόρων γεωμετρικών σχημάτων που αντιδρούν σύμφωνα με το πρότυπο του μη αντιδράσαντος πυρήνα.

19. ΚΛΙΝΗ ΙΟΝΕΝΑΛΛΑΓΗΣ Ροή ρευστού: εμβολική Στερεό: διεργασία διαλείποντος έργου ΚΙΝΗΤΗ ΕΣΧΑΡΑ ΚΑΥΣΗΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Εμβολική ροή κάθετη ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ Εμβολική ροή κατ’ αντιρροή ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΡΕΥΣΤΟΣΤΕΡΕΗΣ ΚΛΙΝΗΣ Ροή αερίου μικτή (μεταξύ εμβολικής και πλήρους ανάμιξης). Ροή στερεών: πλήρους ανάμιξης ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΣ ΞΗΡΑΝΤΗΡΑΣ Εμβολική ροή καθ’ ομορροή ΣΧΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ - ΡΕΥΣΤΩΝ